ПЕРМСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
КАФЕДРА МИКРОПРОЦЕССОРНЫХ СРЕДСТВ АВТОМАТИЗАЦИИ
Электрические и компьютерные измерения
КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ
ПЕРМЬ 2012
Оглавление
Введение 4
1. Термины и определения 7
1.1. Средства измерений 9
1.1.1. Составные части ИУ 9
1.1.2. Отсчетное устройство ИП 10
2. Измерение тока и напряжения 11
2.1. Аналоговые средства измерений 13
2.1.1. Электромеханические приборы 13
2.1.2. Компенсаторы постоянного тока 26
2.1.3. Электронные аналоговые вольтметры 28
2.2. Цифровые электронные вольтметры 32
2.2.1. Цифровой вольтметр с ГЛИН 35
2.2.2. Цифровой вольтметр двойного интегрирования 37
3. Измерение параметров элементов электрических цепей 41
3.1. Метод вольтметра-амперметра 42
3.2. Метод непосредственной оценки 45
3.2.1. Электромеханические омметры 45
3.2.2. Электронные омметры 46
3.3. Компенсационный метод измерения сопротивлений 48
3.4. Метод дискретного счета 50
4. Электронно-счетный частотомер 53
4.1. Измерение периода 56
4.2. Измерение отношения частот 57
4.3. Измерение интервала времени 58
4.4. Самоконтроль частотомера 58
5. Измерительные генераторы сигналов 59
5.1. Общие сведения 59
5.2. Низкочастотные генераторы синусоидальных сигналов 60
5.2.1. LC-генераторы 62
5.2.2. Генераторы на биениях 62
5.2.3. RC-генераторы 63
5. 3. Принципы построения низкочастотных цифровых генераторов 67
5. 4. Высокочастотные генераторы сигналов 68
5. 5. Импульсные генераторы сигналов 70
5. 6. Цифровые генераторы сигналов специальной формы 73
6. Электронные осциллографы 75
6.1. Универсальные одноканальные электронно-лучевые осциллографы 76
6.2. Основные узлы электронно-лучевых осциллографов 80
6.2.1. Электронно-лучевая трубка 80
6.2.2. Канал вертикального отклонения 81
6.2.3. Канал горизонтального отклонения 84
6.3. Двухканальные электронно-лучевые осциллографы 90
6.4. Скоростные и стробоскопические осциллографы 94
6.4.1. Скоростные осциллографы 94
6.4.2. Стробоскопические осциллографы 94
6.5. Универсальные осциллографы со сменными блоками 98
6.7. Аналоговые запоминающие осциллографы 99
6.8. Цифровые запоминающие осциллографы 101
Принцип работы ЦЗО 101
6.9. Цифровые люминофорные осциллографы 104
7. Виртуальные измерительные приборы и системы 107
7. 1. Общие сведения 107
7.2. Плата сбора данных 108
7.3. Сменные платы специального назначения 111
7.4. Виртуальные мультиметры 112
7.5. Виртуальные цифровые запоминающие осциллографы 115
7.6. Виртуальные генераторы сигналов произвольной формы 120
Список литературы 123
Введение
Измерения являются одним из основных источников количественной информации об исследуемых объектах самой различной природы. Измерительная техника развивалась и совершенствовалась на протяжении всей истории человечества. Во все времена ее уровень определялся уровнем и потребностями производства, в свою очередь влияя на технологический уровень. По мере развития производства и научных исследований расширялся круг измеряемых физических величин. Если во времена Древнего Египта и античности измерялось всего несколько величин (время, масса, длина, площадь, объем), то сейчас перечень измеряемых величин составляет сотни наименований. Одновременно с расширением номенклатуры измеряемых величин на порядки возрастали диапазоны измерений и уменьшались погрешности измерения. Кроме улучшения метрологических показателей средств измерений (СИ), существенно расширяются их функциональные возможности и повышаются эргономические свойства. Растет удельный вес автоматизированных СИ, увеличивается объем получаемой и обрабатываемой измерительной информации. Автоматизированные СИ встраиваются в системы автоматического управления различного уровня и становятся составными частями автоматизированного производства наряду с обрабатывающим и другим технологическим оборудованием.
В соответствии с принятыми определениями терминов по метрологии [РМГ 29--99. Метрология. Основные термины и определения] к СИ относятся технические средства, предназначенные для измерений, имеющие нормированные метрологические характеристики, воспроизводящие и (или) хранящие единицу физической величины, размер которой принимается неизменным (в пределах установленной погрешности) в течение известного интервала времени. Как видно из этого определения, к СИ относятся не все технические средства, используемые при измерении, а только те, которые имеют метрологические характеристики, влияющие на точность получаемого результата измерений. Наряду с СИ при проведении измерений могут использоваться другие технические средства, называемые вспомогательными, не оказывающие существенного влияния на погрешность измерения.
В каждой области деятельности используются свои методы и средства измерений конкретных физических величин. Но в современной практике, как правило, в основе этих подходов лежат электрические измерения.
Сегодня понятие «электрические измерения» толкуется более широко, чем столетие назад, и распространяется на методы и средства измерения не только электрических величин.
Все физические величины можно подразделить на неэлектрические (например, механические, тепловые, химические) и электрические (например, ток, напряжение, сопротивление, электрическая емкость). Неэлектрических физических величин, конечно, больше, однако значительную их часть можно и целесообразно измерять методами и средствами электрических измерений (рис. В.1).
В1. Измерительный процесс
Для реализации этого подхода используют разнообразные первичные измерительные преобразователи (датчики) неэлектрических величин в пропорциональный электрический сигнал. Например, термоэлектрический преобразователь (термопара) преобразует изменение температуры в пропорциональное изменение термоЭДС, которая затем измеряется, например, милливольтметром. Сегодня широко распространены различные измерители неэлектрических величин, основанные на электрических методах преобразования информации: термометры, расходомеры, газоанализаторы, анемометры, тахометры, измерители массы, перемещения, скорости движения и ускорения, освещенности, относительной влажности воздуха, кислотности жидкости и др. В практике различных исследований активно используются измерители параметров электрических цепей и процессов, регистраторы и анализаторы параметров электропотребления.
Электрические измерения в современной измерительной технике занимают первое место. Причина широкого распространения электрических измерений – простота и удобство получения, преобразования, передачи и хранения информации, представленной в электрической форме. Подавляющее большинство современных средств измерений основано на принципах электрических измерений. Таким образом, электрические методы и средства измерения электрических и неэлектрических величин играют ведущую роль в деле получения первичной информации об окружающем нас мире, о различных технологических объектах и процессах.
Прогресс электроизмерительной техники сегодня, с одной стороны, определяется постоянно растущими требованиями к функциональным возможностям, метрологическим и эксплуатационным характеристикам средств измерений, а с другой стороны, обеспечивается серьезными достижениями в области микроэлектроники, вычислительной техники, прикладной математики, цифрового анализа сигналов, метрологии.
Основная тенденция развития электроизмерительной техники – дальнейшее совершенствование метрологических характеристик (как статических, так и динамических) средств измерений. Всегда актуальны в задачах измерений повышение точности, чувствительности, разрешающей способности; расширение диапазонов возможного изменения измеряемых величин; увеличение степени подавления помех; повышение быстродействия средств измерений. В современной измерительной технике все чаще применяются методы автоматической компенсации систематических погрешностей и эффективною уменьшения случайных.
Не менее важным сегодня является и совершенствование эксплуатационных характеристик: повышение надежности; расширение возможных диапазонов влияющих величин: обеспечение многофункциональности; внедрение автоматической диагностики внутренних узлов аппаратуры; обеспечение достаточно высоких уровней пыле- и влагозащищенности, защищенности от электромагнитных полей; уменьшение габаритных размеров и массы; уменьшение мощности потребления и, как следствие, увеличение времени непрерывной работы от одного комплекта внутреннего питания; обеспечение удобства и простоты работы с прибором; создание дружественного к пользователю интерфейса прибора.
Характерной тенденцией развития электроизмерительной техники в последние десятилетия стало все более широкое применение цифровых методов преобразования, измерения, регистрации и анализа информации, повышение степени автоматизации и интеллектуализации средств измерений. Заметно изменилось соотношение между объемами статических и динамических измерений. Доля динамических моделей объектов и процессов непрерывно растет. Вследствие этого значительно возрастают объемы получаемой в процессе экспериментов и обрабатываемой информации. Поэтому все чаще возникает необходимость в автоматизированном анализе больших массивов данных, причем нередко в реальном времени хода исследуемого процесса. Все это требует постоянного увеличения объемов внутренней памяти данных средств измерений (цифровых регистраторов, осциллографов и анализаторов), повышения мощности внутреннего интеллекта и производительности микропроцессоров.
Непрерывно ведутся поиски перспективных методов (как аналоговых, так и цифровых) преобразования, передачи и хранения информации; продолжаются разработки более эффективных и мощных средств исследования явлений окружающего мира; расширяется номенклатура средств измерений. Характерным для современного приборостроения стало и резкое сокращение сроков создания новой аппаратуры.
Важной особенностью последних десятилетий является широкое распространение персональных компьютеров во всех областях деятельности человека и, конечно же, в измерительной технике. Разработкой и применением компьютерных измерительных устройств, комплексов и систем занимается с каждым годом все большее число специалистов. При этом активно развиваются разнообразные формы анализа и представления информации (в том числе и наиболее наглядное – графическое представление данных).
В общем виде измеряемые величины можно разделить на три типа:
теплотехнические– давление, температура, расход и уровень;
физико-химические – состав и физико-химические свойства вещества;
электрические – все электрические величины.